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Bild: Schaltplan eines typischen Offline-Tausch-Leuchtmittels  (AC - ILED), wie es in den Optimierungs-Experimenten verwendet wurde.
Bild 2: Vereinfachte Darstellung der LED-Konfiguration in den LED-Produkten MX-6 und MX-6S von Cree.
Bild 3: SSL-Tauschleuchtmittel für 60-W-Glühlampe, implementiert mit sechs MX-6-LEDs in Reihenschaltung.
Bild 4: SSL-Tauschleuchtmittel für 60-W-Glühlampe, implementiert mit sechs MX-6S-LEDs in einem 3x2-Array.

Design eines LED-SSL-Komplettsystems als Problemlösung

Nach der Analyse vieler verschiedener Arten von LED- und Treiber-Konfigurationen im Labor zeichnete sich ab, dass sich das Erreichen der Energy-Star-Konformität für die Kunden umso schwieriger gestaltet, je weniger LEDs vorhanden sind und je höher der Vorwärtsstrom ist. Es ist nicht damit getan, sich auf die Entwicklung effizienter Einzel-LEDs zu konzentrieren. Vielmehr müssen sich die LED-Produzenten deutlich machen, wie ihre LEDs auf dem Markt tatsächlich eingesetzt werden, um ihre Produkte daraufhin so konfigurieren, dass sie einen Beitrag zur Optimierung einer bestimmten SSL-Lösung leisten. Zum Beispiel unterscheiden sich LEDs, die in A19/PAR-Tauschleuchtmitteln eingesetzt werden sollen, grundlegend von LEDs für Straßenbeleuchtungen und MR16-Applikationen.

Damit sich Solid State Lighting (SSL) auf dem Massenmarkt durchsetzt, müssen die angebotenen Lösungen in der Gesamtsicht kostengünstiger sein als bisherige Lösungen auf Basis konventioneller Leuchtmittel. In der Stückliste einer SSL-Lösung sind die LEDs die teuersten Bauteile. Man produzierte LEDs in kleinen Wafer-Fertigungsstätten, die noch nicht optimiert waren, und auch die verkauften Stückzahlen waren noch nicht so hoch, dass die LEDs hierdurch wirtschaftlich im Vorteil sein konnten. Die Hersteller von LED-Leuchten kamen zu der Erkenntnis, dass die einfachste Möglichkeit zur Senkung der Systemkosten darin bestand, die Zahl der LEDs im System zu verringern. Für die LED-Hersteller resultierte hieraus ein vermehrter Druck, LEDs mit immer höherer Lichtausbeute zu produzieren sowie insgesamt leistungsstärkere LEDs mit einem höheren Lichtstrom hervorzubringen.

Da die Industrie im Bereich der Leistungselektronik und der Leistungs-ICs bereits weitgehend ausgereift war und sich optimierter Prozesse bediente, ließen sich hier nur minimale Kosteneinsparungen erzielen.

Auswirkungen der Energy-Star-Compliance auf die Systementwicklung

Die US-Regierung hatte die Energy-Star-Richtlinie seinerzeit erlassen, um die Verbraucher zu schützen und sicherzustellen, dass qualitativ hochwertige Beleuchtungsprodukte auf den Markt kommen. Eine gängige Energy-Star-Vorschrift sieht vor, dass die Endprodukte eine bestimmte Mindest-Lichtausbeute (gemessen in Lumen pro Watt) bieten müssen. Bei den SSL-Tauschleuchtmitteln waren Werte zwischen 40 und 50 lm/W gefordert. Entsprechend zertifizierte Energy-Star-Laboratorien prüften die zur Beurteilung eingereichten Produkte mithilfe einer Reihe standardisierter Prozeduren, die die finale Applikation des Produkts nachbildeten. Aus den Messwerten des Lichtstroms und der Leistungsaufnahme ließ sich dann einfach errechnen, ob die Lichtausbeute die Energy-Star-Kriterien erfüllte.

Damit waren mittlerweile alle Voraussetzungen für eine massenweise Einführung erfüllt. Die LED-Hersteller verzeichneten erstaunliche Fortschritte, was die Lichtausbeute ihrer Produkte betraf. Den Optikherstellern war es gelungen, die Beeinträchtigung des Lichtstroms zu minimieren und die Qualität ihrer Optiken zu verbessern. Die Leistungselektronik  und IC-Hersteller schließlich entwickelten Systeme, die für LED-Treiber optimiert waren. Eigentlich war also alles in Ordnung, oder etwa nicht?

Kosten kontra Compliance – zwei konträre Zielrichtungen

Ein Problem, das sich bis dahin nur vage abgezeichnet hatte, begann sich zu manifestieren, als es den Leuchtenherstellern gelang, die Zahl der in einem System benötigten LEDs stetig zu verringern. So attraktiv dies aus rein geschäftlicher Sicht auch war, barg es für die Industrie doch eine unvorhergesehene technische Herausforderung. Deutlich wurde das Problem erstmals auf dem Markt für A19/E27-Tauschleuchtmittel.

Man war davon ausgegangen, dass der Wirkungsgrad der LED-Treiber zunehmen oder zumindest nicht geringer werden würde, wenn man die Zahl der LEDs im System reduzierte und der Lichtstrom der LEDs zunahm. Diese Annahme bewahrheitete sich jedoch nicht. Was lief falsch?

Typische Spezifikationen für ein SSL-Tauschleuchtmittel

Ein SSL-basiertes Ersatz-Leuchtmittel für eine 60-W-Glühlampe muss folgende Eigenschaften bieten (gilt für USA): Eingangsspannung 115 V AC (±20 %), Ausgangsspannung (bei 10 LEDs in Serie) 31 V bis 36 V, Lichtstrom 800 lm, LED-Vorwärtsstrom 350 mA, Ausgangsleistung (max.) 12,6 W, angestrebter Wirkungsgrad 85 %, FCC Klasse B, U8750-Konformität, Zuverlässigkeit > 50.000 Stunden, System-Betriebstemperatur +50 °C. Der Trend geht heute dahin, den LED-Vorwärtsstrom (und damit die Leistung) zu steigern und die Zahl der LEDs im System zu verringern. Damit dürften sich die Spezifikationen in folgender Weise ändern:

  • Ausgangsspannung (bei 5 LEDs in Serie): 15 V bis 17 V
  • LED-Vorwärtsstrom: 700 mA
  • Lichtstrom: ca. 800 lm
  • Ausgangsleistung (max.): 11,9 W
  • angestrebter Wirkungsgrad: 85 %

Obwohl die Ausgangsleistung geringer ist und die Wirkungsgrad-Spezifikation unverändert 85 % lautet, sollte man eigentlich einen höheren Lichtstrom erwarten. In Wirklichkeit aber hat sich der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verringert, so dass die Lichtausbeute (in lm/W) gesunken ist. Alarmierender noch ist jedoch die Tatsache, dass die Verlustleistung der Schaltung zugenommen hat, was Probleme für das Design und Zuverlässigkeit heraufbeschwor. Die Energy-Star-Konformität könnte hierdurch in Gefahr geraten, und die Kosten würden steigen, da ein Kühlkörper oder Vergussmasse erforderlich werden kann.

Verluste und Wirkungsgrad von Leistungselektronik

Die in einer Leistungsumwandlungsstufe entstehenden Verluste lassen sich in drei Kategorien einteilen: Leitungsverluste, Schaltverluste und Leerlaufverluste.

Alle Halbleiterbauelemente und passiven Bausteine in einem LED-Treiber haben einen bestimmten ohmschen Widerstand. Bekanntlich aber fällt in einem stromdurchflossenen Widerstand eine Verlustleistung ab, die sich nach der Formel P = IRMS2 x R berechnet. Abhängig von Qualität und Typ der gewählten Bauelemente (MOSFETs, Dioden, Drosseln) können die Verluste unterschiedlich hoch ausfallen.

Schaltverluste entstehen während der Übergangsphase, das heißt während ein MOSFET oder eine Diode eingeschaltet wird und der jeweils andere MOSFET (bzw. die Diode) abschaltet. In einem mit 200 kHz geschalteten Wandler sind diese Verluste doppelt so hoch wie in einem Wandler mit 100 kHz Schaltfrequenz. Bei der Festlegung der Schaltfrequenz gilt es den richtigen Kompromiss zu finden, denn je höher ihr Wert ist, umso kleiner kann die Induktivität der magnetischen Bauelemente gewählt werden, und die Leitungsverluste können bei vorgegebenem Platzbedarf niedriger sein (geringerer RDCR-Wert). Die Leerlaufverluste entstehen rein aus der Versorgung der internen Schaltungen.

Zusammengefasst: In ähnlichen LED-Treiber-Designs kann zwar die Ausgangsleistung (POUT = ILED X VLED-Stack) gleich sein, doch kann der System-Wirkungsgrad je nach den Spannungen und Strömen im System sowie abhängig von der Art der verwendeten Bauteile stark variieren. Bild 1 zeigt den Schaltplan eines typischen Offline-Tausch-Leuchtmittels (AC – ILED), wie es in den Optimierungs-Experimenten verwendet wurde.

Durch Anheben der Stromstärke und Verringern der LED-Anzahl kann man den gewünschten Lichtstrom herbeiführen, allerdings wahrscheinlich zulasten des Wirkungsgrads. Will man die nötigen Kompromisse und die Verluste des Designs vollständig verstehen, geht es nicht ohne eine detaillierte Analyse, doch schon eine schnelle Vorab-Untersuchung fördert die folgenden Indizien dafür zutage, weshalb der Wirkungsgrad geringer geworden ist:

  • Die Leitungsverluste in der Induktivität L3 nehmen mit dem LED-Vorwärtsstrom zu.
  • Die Schaltverluste in der Freilaufdiode steigen ebenfalls mit dem LED-Vorwärtsstrom an.
  • Durch Herabsetzen der Stack-Spannung erhöht man den Prozentsatz der Zeit, in dem die Freilaufdiode leitend ist, zulasten der Zeit, in der der Schalt-MOSFET eingeschaltet ist. Da die Leitungsverluste in dieser Hochvolt-Diode größer sind als im MOSFET, nehmen die Gesamtverluste im System deshalb unter dem Strich zu.
  • Die Leitungsverluste in Q4, dem Haupt-Schalt-MOSFET, steigen mit zunehmendem LED-Strom an.

Die System-Level-Erfolgsgeschichte

Die LED-Hersteller haben zwischenzeitlich mit der Entwicklung applikationsspezifischer LED-Produkte begonnen. Ein Beispiel ist die neue MX-6S von Cree. Sie ist von der älteren LED des Typs MX-6 abgeleitet und bietet entscheidende Vorzüge, wenn sie in den richtigen Anwendungen eingesetzt wird. Im vorliegenden Fall kommen ihre Vorteile in Nachrüst-Leuchtmitteln zum Ausdruck. Die ursprüngliche LED MX-6 enthielt sechs parallelgeschaltete LEDs in einem Gehäuse. Jede LED in diesem Baustein konnte bis zu 150 mA aufnehmen, was einen Gesamt-LED-Strom von bis zu 1000 mA ergab. Die Vorwärtsspannung der LED betrug zwischen 3,2 V und 3,6 V. Die neue LED vom Typ MX-6S enthält ebenfalls sechs LEDs, die in diesem Fall jedoch in Reihe geschaltet sind. Der Vorwärtsstrom beträgt hier bis zu 115 mA, die Vorwärtsspannung zwischen 19 V und 22 V. Die LED-Konfigurationen beider Typen sind in vereinfachter Form in Bild 2 wiedergegeben.

Die reinen LED-Chips in den Produkten MX-6 und MX-6S sind identisch, sofern das Binning der Bausteine unverändert bleibt. Lediglich in der Konfiguration ihrer internen Bondung unterscheiden sich beide Produkte. Die Beschränkung auf diese einzige Variable ermöglichte eine hervorragende Laboranalyse der LED-Stack-Spannungen in einer A19-SSL-Lampe unter Beibehaltung des LED-Treibers.

Laborvergleich zwischen MX-6 und MX-6S

Die labormäßige Gegenüberstellung der LED-Stack-Spannungen widmete sich folgenden Zielen und Kriterien:

  • Optimierung eines einheitlichen LED-Treibers für gängige SSL-Tauschleuchtmittel mit unterschiedlichen LED-Konfigurationen.
  • Aufzeichnung der Verlustleistungen und Temperaturen wichtiger Bauteile.
  • Identifikation entscheidender Kostenvorteile eines Designs gegenüber dem anderen.
  • Formulierung von Empfehlungen für Treiber und LED-Konfigurationen mit Blick auf Performance, Kosten, Zuverlässigkeit und Fertigungssicherheit.

Die LED-Ströme wurden unter Verwendung eines kostengünstigen Systems zur Messung des Lichtstroms so angepasst, dass beide Designs die gleiche Lichtmenge erzeugten. Damit war gewährleistet, dass die relative Leistungsfähigkeit verglichen wurde und dass auch reale Systemvariablen wie etwa die temperaturbedingte Beeinträchtigung des Lichtstroms in den Vergleich eingingen.

Zur Minimierung der Fehler wurden sämtliche Variablen sorgfältig kontrolliert – von der verwendeten PAR-Lampe über die Lichtmessvorrichtung, das Mess-Equipment selbst, mechanische Konstruktionen und Kühlkörper bis zum thermischen Gleichgewicht und so weiter.

Niedervolt  oder Hochvolt-LED-Stacks? – Eine empirische Analyse

Designkriterien eines SSL-Tauschleuchtmittel für eine 60-W-Glühlampe (gilt für USA):

  • VIN = 115 V AC (±20 %)
  • Power Factor > 0,70
  • Lebensdauer des SSL-Leuchtmittels: > 30.000 Stunden
  • Kompatibilität zu Dimmern in Phasenanschnitt  und Phasenabschnitt-Technik
  • Dimmungsverhältnis: > 50:1
  • Gleichwertigkeit mit 60-W-Glühlampe (ca. 800 lm).

Design mit MX-6: Sechs MX-6-LEDs in Serie bei 600 mA. Jede LED mit ca. 133 lm/W bei 600 mA (Bild 3).

Design mit MX-6S: Sechs LEDs in einem 3 x 2-Array. Der Gesamt-Ausgangsstrom beträgt 270 mA, und in jedem String fließen 90 mA. Jede LED erzeugt ca. 133 lm/W bei 90 mA (Bild 4).

Thermische Analyse und Zuverlässigkeitsbewertung

Analyse MX-6: Der LED-Treiber wurde mit einem Kunststoffgehäuse versehen und in eine gängige PAR38-Aluminiumleuchte eingebaut. Die Montage von Treiber und LEDs erfolgte so, wie es für PAR38-Tauschleuchtmittel üblich ist. Das Design wurde zunächst für sechs in Reihe geschaltete MX-6-LEDs mit 600 mA konfiguriert. Der Elko, der zentrale Schalt-FET, die Haupt-Gleichrichterdiode und die Ausgangsdrossel wurden mit Thermoelementen versehen.

Analyse MX-6S: Mit der gleichen Anordnung und Gehäuseform wurde die Konfiguration für 6 LEDs vom Typ MX-6 abgeändert.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Aus dieser einfachen Analyse sollten Systemdesigner den Schluss ziehen, dass die Differenzen, die in den beiden Designs zwischen den Temperaturen kritischer Bauelemente zu verzeichnen sind, höchste Aufmerksamkeit verdienen. Während die direkten Auswirkungen auf die Kosten als gering einzustufen sind, könnten sich für die Hersteller katastrophale Konsequenzen ergeben, wenn es zu Reklamationen kommt und die eigene Marke mit mangelhafter Qualität in Verbindung gebracht wird. Indirekte Mehrkosten sind auch zu befürchten, wenn der Hersteller entschlossen ist, eine bestimmte LED-Konfiguration zu verwenden und dann vor der Notwendigkeit steht, den Wirkungsgrad durch den Einsatz teurer Bauteile in der Treiberelektronik zu verbessern oder zusätzliche Kühlkörper oder Vergussmaterial einzusetzen, um zu gewährleisten, dass die Systemkomponenten ihren zulässigen Temperaturbereich nicht verlassen.

Häufig ist es der Elko, der über die Lebenserwartung der Trei-berelektronik entscheidet. Geht man beim Design mit der nötigen Sorgfalt vor, kann für die SSL-Applikation beim Einsatz von Elkos eine Lebensdauer von über 50.000 Stunden erwartet werden. Als Faustregel gilt, dass sich die Lebensdauer eines Elkos halbiert, wenn seine Temperatur um 10 K ansteigt. Ist beispielsweise ein Elko bei +105 °C für 10.000 Stunden ausgelegt, kann man davon ausgehen, dass er bei +85 °C eine Lebensdauer von 40.000 Stunden erreicht. Bei +95 °C wären es 20.000 Stunden. Es zeigt sich also, dass durch den Einsatz von LEDs mit höherer Stack-Spannung eine erhebliche Lebensdauerverlängerung erzielt werden kann.

Ein Nachteil der höheren Stack-Spannung betrifft die Flexibilität hinsichtlich der Anzahl der in einem System konfigurierbaren LEDs. Im vorliegenden Beispiel ist die LED-Stack-Spannung auf 52 V begrenzt, so dass nur zwei MX-6S-LEDs in Reihe geschaltet werden können. Somit ist in dem Array nur eine gerade LED-Anzahl (2 x 1, 2 x 2, 2 x 3 und so weiter) zu verwenden. Cree und Nichia bieten mittlerweile jedoch drei in Reihe geschaltete LEDs ähnlich der MX-6S an, was die Auswahl möglicher LED-Konfigurationen unter Umständen erhöhen dürfte.